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Thèse Année : 2019

Development of sensitive analytical and measurement methods for characterizing the emissions of SVOCs from building and consumer materials into indoor air

Développement de méthodes d’analyse et de mesure pour la caractérisation des émissions de COSV par les matériaux de construction et de consommation dans l’air intérieur

Résumé

Semi-volatile organic compounds (SVOCs), including phthalates and organophosphorus flame retardants (OPFRs), are used in many building and consumer materials. They are added to different indoor materials in order to enhance their properties as plasticizers or flame retardants. Because of their specific physico-chemical properties, these compounds emitted by the materials can be present both, in the gaseous phase and adsorbed on internal surfaces and dust. As a result, human exposure pathways to SVOCs in indoor environments are multiple leading to complex health risk assessment. In this context, the emission of materials or products, sources of these pollutants in indoor environments, must be characterized. Many measurement methods have been developed to study the emissions of SVOCs from indoor products and materials. However, these methods still have drawbacks and limitations, in particular due to adsorption of these compounds on the walls of the emission test chambers. In addition, few studies deal with OPFRs and there is no existing method for simultaneously evaluating phthalates and OPFRs emissions. The objective of this work is therefore to develop a new method to characterize the gaseous emissions of phthalates and OPFRs from the materials. This work is divided into two parts: ̶ The development of a robust protocol and an innovative method for the characterization of phthalates and OPFRs emitted from vinyl flooring and polyurethane foams (PUF), respectively. For this, a micro-emission test chamber (μ-CTE) recommended by the ISO 16000-25 standard was used. This device allows to carry out tests at temperatures up to 250 °C, which makes it possible to limit the phenomenon of adsorption of the compounds on the walls of the system and to reduce the time of experimentation. Phthalates and OPFRs emitted in the gaseous phase were collected using adsorbent tubes analyzed after by thermal desorption - gas chromatography - mass spectrometry (TD-GC-MS). ̶ The development of the TD-GC-MS analytical method, including the optimization of the adsorbent tubes desorption parameters and chromatographic parameters in order to be able to simultaneously analyze phthalates and OPFRs at low air concentration levels (at the level of μg/ m3). The methodology developed enables determining the gas-phase concentration of phthalates and OPFRs in equilibrium with material surface (y0). Two approaches have been implemented: direct measurement of y0 at room temperature by optimizing the volume of the test chamber and extrapolation from y0 values determined at higher temperatures based on an obtained linear relationship between ln(y0) and the reciprocal of temperature adapted from the Clausius-Clapeyron equation. The methodology was validated on vinyl flooring samples and PUF padding. It can be generalized to other materials or products and thus lead to a better understanding of the impact of phthalates and RFOP on indoor air quality and health. It can also be tested for other families of SVOCs.
Les Composés Organiques Semi-Volatils (COSV), notamment les phtalates et retardateurs de flamme organophosphorés (RFOP), entrent dans la composition de nombreux matériaux de construction et produits de consommation. En effet, ils confèrent à ces produits des caractéristiques techniques spécifiques en tant que plastifiants ou retardateurs de flamme. Du fait de leurs propriétés physico-chimiques spécifiques, ces composés émis par les matériaux peuvent être présents à la fois en phase gazeuse mais également en phase adsorbée sur les surfaces et les poussières intérieures. Par conséquent, les voies d’exposition aux COSV dans les environnements intérieurs sont multiples, et l’évaluation des risques sanitaires complexe. Dans ce contexte, l’émission des matériaux ou produits, sources de ces polluants dans les environnements intérieurs, doit être caractérisée. De nombreuses méthodes de mesure ont été mises au point pour étudier les émissions de COSV à partir de produits et de matériaux d'intérieur. Mais, celles-ci présentent encore des inconvénients et des limites, notamment dus aux effets d’adsorption sur les parois des chambres d’essai d’émission. De plus, peu d’études traitent des RFOP et aucune méthode ne permet d’évaluer simultanément les émissions de phtalates et de RFOP. L’objectif de ce travail est donc de développer une nouvelle méthode pour caractériser les émissions gazeuses de phtalates et RFOP émis par les matériaux. La thèse comporte deux parties principales : ̶ Le développement d’un protocole robuste et d’une méthode innovante de caractérisation de phtalates et de RFOP émis respectivement par des revêtements de sol en vinyle et des mousses de polyuréthane. Pour cela, une micro-chambre d’essai d’émission (µ-CTE), recommandée par la norme ISO 16000-25 a été utilisée. Ce dispositif permet de réaliser des essais à des températures allant jusqu’à 250 °C, ce qui permet de limiter le phénomène d’adsorption des composés sur les parois du système et de réduire les temps d’expérimentation. Les phtalates et RFOPs émis en phase gazeuse ont été prélevés au moyen de cartouches d’adsorbant analysées par ThermoDésorption-Chromatographie Gazeuse - Spectrométrie de Masse (TD-GC-MS). ̶ Le développement de la méthode d’analyse par TD-GC-MS, incluant l’optimisation des paramètres de désorption des cartouches et les paramètres chromatographiques dans le but de pouvoir analyser simultanément les phtalates et les RFOPs à des niveaux de concentrations faibles dans l’air (inférieurs au µg/ m3). La méthodologie développée permet de déterminer la concentration de phtalates et de RFOP en phase gazeuse en équilibre avec la surface de matériaux (y0). Deux approches ont été mise en œuvre : mesure directe de y0 à température ambiante en optimisant le volume de la chambre d'essai et extrapolation à partir de valeurs de y0 obtenues à des températures plus élevées selon une relation linéaire entre ln (y0) et l'inverse de la température adaptée de l’équation de Clausius-Clapeyron. La méthodologie a été validée sur des échantillons de revêtements de sol en vinyle et des mousses de rembourrage en polyuréthane. Elle peut donc être généralisée à d’autres matériaux ou produits et ainsi conduire à une meilleure connaissance de l’impact des phtalates et RFOP sur la qualité de l’air intérieur et la santé. Elle peut également être testé pour d'autres familles de COSV.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-02927151 , version 1 (01-09-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02927151 , version 1

Citer

Tamara Braish. Development of sensitive analytical and measurement methods for characterizing the emissions of SVOCs from building and consumer materials into indoor air. Analytical chemistry. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2019. English. ⟨NNT : 2019PAUU3039⟩. ⟨tel-02927151⟩
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